一种模块化可重构驱动单元及柔性外骨骼机器人的制作方法

本实用新型涉及柔性外骨骼技术领域，尤其涉及一种模块化可重构驱动单元及柔性外骨骼机器人。

背景技术：

柔性外骨骼是一种模仿生物外骨骼而开发的新型机电一体化装置，具备高度仿生特性，为穿戴者提供身体支撑、运动辅助、信息融合等功能。驱动系统是外骨骼的重要组成部分，驱动系统设计和驱动路径优化是保证人机协同效果的关键环节。电机驱动是外骨骼的重要驱动方式，通常一个电机对应一个特定的人体关节，采用绳索、传动机构等驱动人体关节完成特定的动作。

现有柔性外骨骼系统的驱动路径单一、不可重构，通常采用固定的单一驱动路径进行人体关节的运动控制，驱动路径数量的提升必然增加驱动系统的复杂度，影响系统的便携性及人体穿戴体验。此外，现有的柔性外骨骼系统生产完毕后驱动路径的数量一般是固定的，当需要增加驱动路径时，需要配备额外的系统，这样使得柔性外骨骼系统在使用时极为不便。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种模块化可重构驱动单元，该模块化可重构驱动单元能够实现单一电机输出多个驱动路径的功能，该模块重构驱动单元还能够根据实际需要增加或者减少驱动的单元，方便实用。

本实用新型的另一个目的在于提出一种具有该模块化可重构驱动单元的柔性外骨骼机器人，该柔性外骨骼机器人的结构接单，质量较小，方便实用。

为实现上述技术效果，本实用新型实施例的技术方案如下：

一种模块化可重构驱动单元，包括：动力组件，所述动力组件包括动力壳体和设在所述动力壳体内的电机；驱动组件，所述驱动组件包括：驱动壳体，所述驱动壳体上设有出线孔；主轴，所述主轴设在所述驱动壳体内，所述主轴与所述电机配合，所述电机能够驱动所述主轴转动；离合器，所述离合器设在所述驱动壳体内，所述离合器包括固定部和离合部，所述固定部连接在所述主轴上，所述离合部能够与所述固定部相连或者脱离；线轮，所述线轮套设在所述主轴上，且所述线轮与所述离合部相连，驱动线能够穿过所述出线孔缠绕在所述线轮上；其中：所述驱动组件为多个，多个所述驱动组件沿所述主轴的轴向方向排布，相邻的两个所述驱动组件的主轴通过连接件相连；保持电磁体，所述保持电磁体为多个，多个所述保持电磁体与多个所述驱动组件一一对应设置，每个所述保持电磁体用于所述离合部和所述固定部脱离时保持所述线轮以阻止所述线轮转动。

在一些实施例中，所述离合器为电磁离合器，所述固定部包括连接在所述驱动壳体上的定子线圈和连接在所述主轴上的转子，所述离合部为衔铁。

在一些实施例中，所述动力组件还包括减速器，所述减速器的输入端与所述电机的电机轴相连，所述减速器的输出端与所述主轴配合。

在一些具体的实施例中，所述动力组件还包括；扭矩测量件，所述扭矩测量件连接在所述减速器的所述输出端；法兰盘，所述法兰盘连接在所述扭矩测量件的远离所述输出端的一侧，所述法兰盘与所述主轴相连。

在一些实施例中，所述模块化可重构驱动单元还包括主轴轴承，所述主轴轴承为两个，两个所述主轴轴承套设在所述主轴的两端。

在一些实施例中，所述模块化可重构驱动单元还包括离合轴承，所述离合轴承套设在所述主轴上，且所述离合部套设在所述离合轴承上。

在一些实施例中，所述连接件为连接销钉，所述模块化可重构驱动单元还包括主轴垫片，所述主轴垫片套设在所述连接销钉上，且夹设在相邻两个驱动组件的驱动壳体之间。

在一些实施例中，所述模块化可重构驱动单元还包括：端盖，所述端盖扣合在所述动力壳体的远离所述驱动壳体的一端；底座，所述底座设在所述驱动壳体和所述动力壳体的下部。

在一些实施例中，所述模块化可重构驱动单元还包括：封盖，所述封盖连接在多个所述驱动组件中最外侧的所述驱动组件的驱动壳体上，所述封盖上设有配合孔，所述配合孔内设有堵头，所述堵头与所述驱动组件的所述主轴相连，所述堵头与所述配合孔的内壁之间设有堵头轴承。

一种柔性外骨骼机器人，包括：绑带，所述绑带绑在人体腰部；前文所述的模块化可重构驱动单元，所述模块化可重构驱动单元连接在所述绑带上；锚点附着带，所述锚点附着带为多个，每个所述锚点附着带均绑在人体关节处；驱动线，所述驱动线的一端缠绕在所述线轮上，另一端连接在所述锚点附着带上。

本实用新型的模块化可重构驱动单元，由于一个动力驱动组件能够驱动多个驱动组件转动，实现了采用一个电机输出多个驱动路径的功能，简化了模块化可重构驱动单元的结构。由于每个驱动组件均包括离合器，实现了电机可以根据实际需要驱动一个或者几个线轮转动，较好地满足实际的多样化驱动路径输出的功能。此外，相邻的两个驱动组件的主轴采用连接件相连，使得模块化可重构驱动单元能够根据实际需要增加或者减少驱动组件的个数，从而更好的满足实际使用需求。此外，保持电磁体能够在离合部和固定部脱离时将线轮吸住从而使其保持在一个固定位置，这样实现了对应驱动路径的状态保持。

本实用新型的柔性外骨骼机器人，由于包括前文所述的模块化可重构驱动单元，可以通过增减驱动单元内驱动组件的数量，改变驱动路径数量，并且通过改变离合器的工作状态控制驱动路径切换，操作较为方便，结构较为简单，质量较轻，方便实用，此外，还可以根据实际需要选择模块化可重构驱动单元的个数从而增加驱动路径数量，使其更好的满足实验需要。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的模块化可重构驱动单元的结构示意图。

图2是本实用新型具体实施方式提供的模块化可重构驱动单元的动力组件的示意图。

图3是本实用新型具体实施方式提供的模块化可重构驱动单元的动力组件的剖面图。

图4是本实用新型具体实施方式提供的模块化可重构驱动单元的驱动组件的示意图。

图5是本实用新型具体实施方式提供的模块化可重构驱动单元的两个驱动组件的剖面图。

图6是本实用新型具体实施方式提供的柔性骨骼机器人的结构示意图。

附图标记：

100、模块化可重构驱动单元；1、动力组件；11、动力壳体；12、电机；13、减速器；14、扭矩测量件；15、法兰盘；2、驱动组件；21、驱动壳体；22、主轴；23、离合器；231、固定部；232、离合部；24、线轮；3、主轴轴承；4、离合轴承；5、主轴垫片；6、端盖；7、底座；8、封盖；9、堵头；10、堵头轴承；101、连接件；102、保持电磁体；200、绑带；300、锚点附着带；400、驱动线。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考图1-图5描述本实用新型实施例的模块化可重构驱动单元100的具体结构。

如图1-图5所示，本实用新型实施例的模块化可重构驱动单元100包括动力组件1、驱动组件2和保持电磁体102，动力组件1包括动力壳体11和设在动力壳体11内的电机12，驱动组件2包括驱动壳体21、主轴22、离合器23和线轮24，驱动壳体21上设有出线孔211，主轴22设在驱动壳体21内，主轴22与电机12配合，电机12能够驱动主轴22转动，离合器23设在驱动壳体21内，离合器23包括固定部231和离合部232，固定部231连接在主轴22上，离合部232能够与固定部231相连或者脱离，线轮24套设在主轴22上，且线轮24与离合部232相连，驱动线400能够穿过出线孔211缠绕在线轮24上。驱动组件2为多个，多个驱动组件2沿主轴22的轴向方向排布，相邻的两个驱动组件2的主轴22通过连接件101相连。保持电磁体102为多个，多个保持电磁体102与多个驱动组件2一一对应设置，每个保持电磁体102用于离合部232和固定部231脱离时保持线轮24以阻止线轮24转动。

可以理解的是，在实际使用过程中，离合器23的离合部232与固定部231吸合时，电机12即可驱动主轴22转动，主轴22转动时就可以带动线轮24转动，从而实现一条驱动路径的输出。由于本实用新型实施例的模块化可重构驱动单元100包括多个驱动组件2，多个驱动组件2的主轴22通过连接件101相连，这样在实际使用过程中，操作人员可以根据实际需要选择驱动组件2的个数，并且多个驱动组件2的组装方式非常简单，只需采用连接件101将相邻的两个驱动组件2的主轴22用连接件101连接起来即可，装配操作非常简单，方便了操作人员操作。此外，由于驱动组件2为可重构的多个且动力组件1仅有一个，本实施例的模块化可重构驱动单元100实现了采用一个电机12输出多个驱动路径的功能，简化了模块化可重构驱动单元100的结构。

此外，当离合部232和固定部231相连时，保持电磁体102失电，此时保持电磁体102不能吸合线轮24，线轮24即可在驱动组件2的驱动作用下转动以实现驱动路径的输出。而当离合部232和固定部231脱离时，若保持电磁体102继续失电，则该驱动路径可自由运动。若保持电磁体102得电，保持电磁体102吸合线轮24。此时由于保持电磁体102的限制作用，线轮24不能转动。也就是说，与该线轮24相连的驱动线400能够保持相对固定的长度，从而使得与该驱动线400相连的被驱动关节处于稳定静止的状态。由此，方便了在离合部232和固定部231脱离时对线轮24进行制动，从而保证了对应驱动路径的状态保持。

本实用新型的模块化可重构驱动单元100，由于一个动力驱动组件2能够驱动多个驱动组件2转动，实现了采用一个电机12输出多个驱动路径的功能，简化了模块化可重构驱动单元100的结构。由于每个驱动组件2均包括离合器23，实现了电机12可以根据实际需要驱动一个或者几个线轮24转动，较好地满足实际的多样化驱动路径输出的功能。此外，相邻的两个驱动组件2的主轴22采用连接件101相连，使得模块化可重构驱动单元100能够根据实际需要增加或者减少驱动组件2的个数，从而更好的满足实际使用需求。此外，保持电磁体102能够在离合部232和固定部231脱离时将线轮24吸住从而使其保持在一个固定位置，这样实现了对应驱动路径的状态保持。

在一些实施例中，离合器23为电磁离合器，固定部231包括连接在驱动壳体21上的定子线圈和连接在主轴22上的转子，离合部232为衔铁。可以理解的是，在使用中只需变更电磁离合器的通电状态即可实现驱动路径的切换。具体来说，在实际使用中，如果需要开启一条新的驱动路径，只需将该驱动路径对应的电磁离合器通电，定子线圈通电，与主轴22同步转动的转子产生磁性从而吸合衔铁以实现线轮24转动。而如果需要关闭一条驱动路径，只需将该驱动路径对应的电磁离合器断电，与主轴22同步转动的转子与线轮24脱离，此时即便该驱动组件2的主轴22仍然在旋转，但是线轮24却不会转动。由此，采用电磁离合器能够简化切换驱动线路的控制逻辑，方便实验人员在实际使用过程中切换驱动线路。

这里需要说明的是，在本实用新型的实施例中，模块化可重构驱动单元100可针对不同功能设计定制化负载，具有过载保护功能。具体而言，离合器23为电磁离合器。也就是说离合器23的固定部231和离合部232通过电磁力吸合，可改变离合器23的通电电压来改变固定部231能够产生的最大电磁力，当输出的驱动路径的外部负载超过最大电磁力时，固定部231和离合部232打滑，产生相对运动。这样当外部负载过大时，固定部231和离合部232之间的固定连接失效，从而起到对所驱动的关节部位进行过载保护的作用。

这里需要补充说明的是，本实施例的模块化可重构驱动单元100的输出路径方式有多种。具体而言，当电机12为1个，驱动组件2为3个时，则可以产生种输出路径的方式，这样能够极大地提升模块化可重构驱动单元100的适用范围，从而提升块模块化可重构驱动单元100的使用满意度。此外，在实际使用过程中一个电机12带动的驱动组件2的个数总是有一个上限的。而在实际使用过程中可能需要的较多的驱动路径，这些驱动路径的数量通过一个模块化可重构驱动单元100并不能满足实际要求。此时就需要两个或者而更多的模块化可重构驱动单元100。而当模块化可重构驱动单元100为多个时，多个模块化可重构驱动单元100输出的驱动路径的数量更多，具体而言，当模块化可重构驱动单元100为两个时，每个模块化可重构驱动单元100包括三个驱动组件2，此时则可以产生种输出路径的方式。由此可知当模块化可重构驱动单元100的数量为多个时，输出的驱动路径种类增加的是非常多的，这样能够更好的满足人体关节多自由度的控制。

在一些实施例中，如图3所示，动力组件1还包括减速器13，减速器13的输入端与电机12的电机轴相连，减速器13的输出端与主轴22配合。可以理解的是，电机12的输出转速较大，但是柔性外骨骼机器人进行实验时，线轮24的转速较为缓慢。在本实施例中，主轴22与电机12的电机轴之间设有减速器13能够降低主轴22的转速，从而保证线轮24的转速较为缓慢从而较好地适应实验需要。

优选的，减速器13为谐波减速器。当然在本实用新型的其他实施例中，减速器13可以根据实际需要选择，并不限于本实施例的谐波减速器。

在一些具体的实施例中，如图3所示，动力组件1还包括扭矩测量件14和法兰盘15，扭矩测量件14连接在减速器13的输出端，法兰盘15连接在扭矩测量件14的远离输出端的一侧，法兰盘15与主轴22相连。可以理解的是，增设的扭矩测量件14能够检测驱动组件2的输出扭矩的大小，从而避免驱动组件2的输出扭矩过大的现象发生。此外，扭矩测量件14还可以与电机12电连接，电机12可以根据扭矩测量件14的测量结果调整其自身的转速。增设的法兰盘15既能保证扭矩测量件14得到稳定的支撑，又能保证驱动组件2与主轴22的连接稳定性。这里需要说明的是，在本实施例中，扭矩测量件14可以是任意能够测量扭矩的结构，在此不对扭矩测量件14作出具体限定，扭矩测量件14的类型、精度以及测量范围均可根据实际需要选择。此外，法兰盘15仅仅起到连接作用，法兰盘15的尺寸、种类均可以根据实际需要选择。

在一些实施例中，如图5所示，模块化可重构驱动单元100还包括主轴轴承3，主轴轴承3为两个，两个主轴轴承3套设在主轴22的两端。可以理解的是，主轴轴承3一方面起到支撑主轴22的作用，使得动力组件1能够稳定地驱动主轴22转动，另一方面主轴轴承3能够降低主轴轴承3与驱动壳体21之间的摩擦，避免主轴22过度磨损或者过热的现象发生，保证模块化可重构驱动单元100的工作稳定性。这里需要补充说明的是，主轴轴承3的类型、尺寸以及精度均可以根据实际需要选择，在此并不对主轴轴承3作出具体限定。

在一些实施例中，如图5所示，模块化可重构驱动单元100还包括离合轴承4，离合轴承4套设在主轴22上，且离合部232套设在离合轴承4上。可以理解的是，在实际使用过程中，有的离合部232处于与主轴22同步转动的状态，但是有的离合部232处于相对静止的状态，如果离合部232与主轴22之间不设置轴承，那么当离合部232处于相对静止的状态时，离合部232会与主轴22产生剧烈的摩擦，从而造成离合部232及主轴22的过度磨损以及过度发热的现象。这里需要补充说明的是，离合轴承4的类型、尺寸及进度均可以根据实际需要选择，在此并不对离合轴承4作出具体限定。

在一些实施例中，连接件101为连接销钉，模块化可重构驱动单元100还包括主轴垫片5，主轴垫片5套设在连接销钉上，且夹设在相邻两个驱动组件2的驱动壳体21之间。垫片能够起到分隔两个驱动单元100的作用，并且垫片能够实现主轴轴承3的定位，避免主轴轴承3发生轴向窜动的现象。

在一些实施例中，如图1所示，模块化可重构驱动单元100还包括端盖6和底座7，端盖6扣合在动力壳体11的远离驱动壳体21的一端，底座7设在驱动壳体21和动力壳体11的下部。可以理解的是，端盖6能够封闭动力壳体11，从而避免杂物进入动力壳体11内部影响电机12、动力电磁体及驱动电磁体等零部件的正常工作。此外，动力壳体11和驱动壳体21一般都是圆柱状，这样的形状不利于安放，增设的底座7能够保证整个柔性骨骼机器人的驱动单元100的放置面为平面，方便了柔性骨骼机器人的驱动单元100的安放。

在一些实施例中，如图1、图5所示，模块化可重构驱动单元100还包括封盖8，封盖8连接在多个驱动组件2中最外侧的驱动组件2的驱动壳体21上，封盖8上设有配合孔，配合孔内设有堵头9，堵头9与驱动组件2的主轴22相连，堵头9与配合孔的内壁之间设有堵头轴承10。

可以理解的是，最外侧的驱动组件2是指具有动力组件1距离最远的驱动组件2。该驱动组件2的主轴22一端通过连接件101与相邻的驱动组件2的主轴22相连，另一端与堵头9相连，这样保证了这个主轴22的稳定性，从而保证了这个驱动组件2能够稳定工作。而增设的堵头轴承10能够降低主轴22与堵头9之间的摩擦，从而保证主轴22能够稳定的转动。

实施例：

下面参考图1-图5描述本实用新型一个具体实施例的模块化可重构驱动单元100的具体结构。

如图1-图5所示，本实用新型的模块化可重构驱动单元100包括动力组件1和驱动组件2、主轴轴承3、离合轴承4、主轴垫片5、端盖6、底座7、封盖8、堵头9、堵头轴承10、连接件101和保持电磁体102。

动力组件1包括动力壳体11、电机12、减速器13、扭矩测量件14和法兰盘15，电机12设在壳体内，减速器13的输入端与电机12的电机轴相连，减速器13的输出端与主轴22配合。扭矩测量件14连接在减速器13的输出端，法兰盘15连接在扭矩测量件14的远离输出端的一侧。

驱动组件2包括驱动壳体21、主轴22、离合器23和线轮24，驱动壳体21上设有出线孔211，驱动壳体21的一端敞开另一端封闭。主轴22设在驱动壳体21内，主轴22与法兰盘15配合。主轴22的两端分别套设有主轴轴承3，其中一个主轴轴承3的外圈止抵在驱动壳体21上，另一个主轴轴承3的外圈止抵在线轮24的中心孔的内壁上。离合器23设在壳体内，离合器23包括固定部231和离合部232，离合器23为电磁离合器，固定部231连接在驱动壳体21上的定子线圈和连接在主轴22上的转子，离合部232为套设在主轴22上的衔铁，离合部232与主轴22之间设有离合轴承4。线轮24套设在主轴22上，且线轮24与离合部232相连，驱动线400能够穿过出线孔211缠绕在线轮24上。

驱动组件2为三个，三个驱动组件2沿主轴22的轴向方向排布，相邻的两个驱动组件2的主轴22通过连接销钉相连，连接销钉上套设有主轴垫片5。相邻连个驱动组件2中，一个驱动壳体21的敞开端对应另一个驱动壳体21的封闭端设置。保持电磁体102为三个，其中一个保持电磁体102连接在封盖8上，另外两个保持电磁体102连接在不与动力组件1直接相连的两个驱动组件2的驱动壳体21的封闭端上。端盖6扣合在动力壳体11的远离驱动壳体21的一端，底座7设在驱动壳体21、动力壳体11及端盖6的下部。封盖8连接在三个驱动组件2中最外侧的驱动组件2的驱动壳体21上，封盖8上设有配合孔，配合孔内设有堵头9，堵头9与驱动组件2的主轴22相连，堵头9与配合孔的内壁之间设有堵头轴承10。

本实施例的模块化可重构驱动单元100在实际使用过程中具有种驱动路径输出方式。本实施例的模块化可重构驱动单元100，由于一个动力驱动组件2能够驱动多个驱动组件2转动，实现了采用一个电机12输出多个驱动路径的功能，简化了模块化可重构驱动单元100的结构。由于每个驱动组件2均包括离合器23，实现了电机12可以根据实际需要驱动一个或者几个线轮24转动，较好地满足实际的多样化驱动路径输出的功能。此外，相邻的两个驱动组件2的主轴22采用连接件101相连，使得模块化可重构驱动单元100能够根据实际需要增加或者减少驱动组件2的个数，从而更好的满足实际使用需求。

下面参考图6描述本实用新型一个具体实施例的柔性外骨骼机器人。

如图6所示，本实用新型实施例的柔性外骨骼机器人包括绑带200、前文所述的模块化可重构驱动单元100、锚点附着带300和驱动带，绑带200绑在人体腰部；前文的模块化可重构驱动单元100，模块化可重构驱动单元100连接在绑带200上，锚点附着带300为多个，每个锚点附着带300均绑在人体关节处，驱动线400的一端缠绕在线轮24上，另一端连接在锚点附着带300上。

可以理解的是，由于本实用新型的柔性外骨骼机器人具有前文所述柔性外骨骼机器人的驱动单元100，实现了一个电机12输出多个驱动路径的功能，使得在实际使用中，既能够用于上肢关节，也可以用于下肢关节，既能用于康复领域，也能用于日常搬运的领域。

本实用新型的柔性外骨骼机器人，由于包括前文所述的模块化可重构驱动单元100，可以通过增减驱动单元100内驱动组件2的数量，改变驱动路径数量，并且通过改变离合器23的工作状态控制驱动路径切换，操作较为方便，结构较为简单，质量较轻，方便实用。

需要额外说明的是，在实际使用的过程中，本实施例的柔性外骨骼机器人可以包括多个模块化可重构驱动单元100，这样能够极大地增加柔性外骨骼机器人输出的驱动路径的数量。具体而言，当模块化可重构驱动单元100为两个时，每个模块化可重构驱动单元100包括三个驱动组件2，此时则可以产生种输出路径的方式。由此可知当模块化可重构驱动单元100的数量为多个时，输出的驱动路径种类增加的是非常多的。这样能够更好的满足人体关节多自由度的控制。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。